研究人員開發(fā)出一種可在室溫下運行的新型高純度單光子光源。該光源標(biāo)志著朝著實用的量子技術(shù)邁出了重要一步，例如基于量子密鑰分配的高度安全的通信。

來自澳大利亞悉尼科技大學(xué)的研究團隊成員Helen Zeng說：“我們開發(fā)了一種按需生成高純度光子的方法，這種方法可以在可伸縮的、可攜帶的系統(tǒng)中，在室溫下工作。”“我們的單光子光源可以推進實際QKD系統(tǒng)的發(fā)展，并可以集成到現(xiàn)實世界的各種量子光子應(yīng)用中�！�

在光學(xué)出版集團的期刊《光學(xué)快報》（Optics Letters）上，Zeng和來自澳大利亞新南威爾士大學(xué)和麥考瑞大學(xué)的同事描述了他們的新單光子源，并表明它在室溫下每秒可以產(chǎn)生超過1000萬個光子。他們還將單光子源整合到一個可以執(zhí)行QKD的完全便攜設(shè)備中。

這種新的單光子光源獨特地將一種叫做六方氮化硼的二維材料和一種叫做半球形固體浸沒透鏡的光學(xué)元件結(jié)合在一起，從而將光源的效率提高了6倍。

室溫下的單光子

QKD利用光的量子特性生成安全的隨機密鑰對數(shù)據(jù)進行加密和解密，為數(shù)據(jù)通信提供了不可穿透的加密。QKD系統(tǒng)需要強大而明亮的光源，以單光子串的形式發(fā)出光。然而，今天的大多數(shù)單光子光源都不能很好地工作，除非在零下幾百度的低溫下工作，這限制了它們的實用性。

盡管六方氮化硼以前曾被用于制造室溫下工作的單光子源，但直到現(xiàn)在，研究人員還未能達(dá)到實際應(yīng)用所需的效率。“大多數(shù)用于改善六方氮化硼單光子源的方法都依賴于精確定位發(fā)射器或使用納米制造，”Zeng說�！斑@使得設(shè)備變得復(fù)雜，難以規(guī)�；�，也不容易大規(guī)模生產(chǎn)�！�

Zeng和他的同事們著手創(chuàng)造一個更好的解決方案，他們使用一個固體浸沒透鏡來聚焦來自單光子發(fā)射器的光子，這樣就可以檢測到更多的光子。這些透鏡在市場上可以買到，而且很容易制造。

研究人員將他們的新單光子光源與一個定制的便攜式共聚焦顯微鏡相結(jié)合，該顯微鏡可以在室溫下測量單光子，創(chuàng)造了一個可以執(zhí)行QKD的系統(tǒng)。單光子光源和共聚焦顯微鏡被封裝在一個堅固的封裝中，該封裝只有500 × 500毫米，重約10公斤。該封裝還可以處理振動和雜散光。

曾晶說:“我們的流線型設(shè)備使用起來更容易，而且比傳統(tǒng)的光學(xué)儀器要小得多，而傳統(tǒng)的光學(xué)儀器往往要占用整個實驗室的時間�！边@使得該系統(tǒng)可以用于一系列量子計算方案。它還可以適應(yīng)現(xiàn)有的電信基礎(chǔ)設(shè)施�！�

演示量子密碼學(xué)

對這種新型單光子源的測試表明，它可以實現(xiàn)107hz的單光子采集率，同時保持良好的純度——這意味著每個脈沖包含多個光子的概率很低。它還顯示了在許多小時的連續(xù)運行中異常的穩(wěn)定性。研究人員還演示了該系統(tǒng)在現(xiàn)實條件下執(zhí)行QKD的能力，表明20 MHz重復(fù)率的安全QKD在數(shù)公里范圍內(nèi)是可行的。

現(xiàn)在，研究人員已經(jīng)證明他們的便攜式設(shè)備可以執(zhí)行復(fù)雜的量子加密，他們計劃對其在加密過程中的魯棒性、穩(wěn)定性和效率進行進一步測試。他們還計劃在現(xiàn)實生活中使用新的來源來執(zhí)行QKD，而不是在實驗室中�！拔覀儸F(xiàn)在已經(jīng)準(zhǔn)備好將這些量子二維材料方面的科學(xué)進展轉(zhuǎn)化為現(xiàn)成的技術(shù)產(chǎn)品，”該項目的負(fù)責(zé)人伊戈爾·阿哈羅諾維奇(Igor Aharonovich)說。

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